面向規模儲能的聚合物微粒“泥漿”電池

陳立桅

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215123

聚合物微粒“泥漿”電池示意圖。

隨著人類對能源需求的持續提高，太陽能、風能等可再生能源的開發和利用備受關注。可再生能源發電的規模化發展需要與之相匹配的大規模、高效能量存儲技術。液流電池是有潛力的大型電化學儲能技術之一，具有儲能規模大、循環壽命長、安全性高等優勢1,2。發展更高儲能密度、更低成本、可商業化應用的液流電池技術是實現國家能源安全和可持續發展的重大需求。液流電池的設計需要滿足以下特點3,4：(1)正極和負極活性物質可以發生可逆、快速、工作電壓較大的電化學氧化還原反應，且應當易于大規模合成；(2)高濃度活性物質在電解液中可穩定分散，無副反應，以保證高的能量密度和循環壽命；(3)所選用的離子交換膜需要具有高的離子電導率、低的膜電阻和低的活性物質滲透率，以確保長期的使用壽命。在液流電池新體系的探索中，具有氧化還原可逆性的有機物因其分子結構多樣便于調控、來源廣泛而備受關注5,6。但是很多有機活性材料存在溶解度低、化學穩定性差，容易發生副反應等問題，制約了其在液流電池中的應用和發展7。另一方面，離子交換膜作為液流電池的關鍵部件之一，對電池的性能也有重要影響。常用的質子交換膜雖然具有較高的質子傳導率，但是通常離子滲透率較大；而陰離子交換膜雖然能較好地阻止滲透，但也存在面電阻較大的問題。此外，離子交換膜的化學穩定性不足、成本較高也是有待解決的一個難題。

最近，針對上述問題，南京大學金鐘教授課題組設計和制作了一種新型的聚合物“泥漿”液流電池，相關工作發表在Nature Communications雜志上8。在該工作中，可以發生多電子的氧化還原可逆反應、易于大規模合成的聚對苯二酚和聚酰亞胺被分別用于電池的正極和負極活性材料。聚合物活性材料被制成直徑為微米到亞微米級的顆粒，均勻穩定分散在酸性水溶液中。通過正、負極電解液中的聚合物微粒進行可逆的電化學氧化還原反應，保證了電池的快速充放電和多次循環。該工作中還研究了聚合物分子結構的調控及微粒的粒徑對有機物電化學性能的影響，驗證了有機電化學活性物質的分子結構豐富多樣、易于調控的特點在液流電池應用中的優勢。另一方面，在該研究中采用常見于生物化學實驗中、價格低廉的透析膜代替質子交換膜作為電池隔膜，利用具有納米孔的透析膜對聚合物微粒的尺寸排阻效應，有效阻止了正極和負極活性物質的交叉污染，大大提高電池的循環穩定性。采用透析膜還使得氫離子的跨膜傳輸更為快速，降低了膜電阻，提高了離子電導率，并且由于透析膜的成本只有質子交換膜的約十分之一左右，在降低液流電池的器件成本方面具有較大的優勢。

此項工作中對于高濃度的聚合物微粒“泥漿”電池的探索打破了難溶的有機活性材料在水溶液中的溶解限制，有效拓寬了不溶性電化學氧化還原可逆物質在液流電池中的應用，為規模儲能電池新體系的構建提供了新的思路和啟發。最后，作者對進一步提高“泥漿”電池的性能進行了展望，提出可以通過調控活性材料的微觀結構、構建復合活性材料、以及選用合適的穩定劑等方案來進一步提高活性材料微粒在電解液中的分散濃度和利用率，以增大電池的能量密度和提高循環穩定性。另一方面，作者還提出深入研究高濃度的微粒“泥漿”分散體系的特殊流變性質，以進一步提高電池系統的充放電速度和能量效率也將是未來的研究重點之一。